鈦在汽車上的應用

1、鈦合金在汽車上的應用13鈦合金在汽車上的應用摘要隨著生活水平和制造工藝的提高，居民對汽車性能要求越來越高，輕量化、低能耗和低排放是汽車發(fā)展的趨勢。汽車材料的改進是輕量化的出發(fā)點，要想實現(xiàn)低能耗和低排放，就不能放松對性能更輕更好的汽車材料的研制。輕質材料、金屬基復合材料及陶瓷等新材料的使用在一定程度上決定了汽車的發(fā)展趨勢，是汽車技術發(fā)展的重要方面。鈦及鈦合金作為結構功能性材料，是汽車實現(xiàn)輕量化和高性能、高功能的重要基礎。隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，鈦材終將在汽車領域占據(jù)重要地位。汽車用鈦市場潛力巨大，前景廣闊。目錄摘要1目錄2引言3鈦在汽車上的應用5鈦在汽車上的具體應用7降低鈦合金成本的途徑11展望12引

2、言鈦合金卓越的性能（例如：強度高、密度低及優(yōu)異的耐腐蝕性能等）使其在賽車、特種車輛及家用轎車上具有巨大的潛在應用空間包括引擎/傳動系統(tǒng)和車身/底盤。對于減輕車身重量、提升汽車性能方面，鈦合金具有其他合金或者不銹鋼無法比擬的優(yōu)點。美國鈦金屬公司（Timet）為汽車用鈦確立了五個關鍵因素，分別為：1. 提供確實可行的解決方案；2. 得到業(yè)內(nèi)共識；3. 技術利用；4. 利用現(xiàn)有的制造技術；5. 提供價值。汽車用鈦常被提及的技術問題包括耐磨性、低楊氏模量及難制造加工。對于第一個技術問題，可以通過涂層與強化來解決，第二個技術問題可以通過強化來解決，而第三個技術問題可以通過近凈成形技術和選擇相近的工藝參數(shù)

3、來解決?？梢娂夹g問題不是難以克服，而首要的問題是相較于鋼材和鋁材，鈦材的成本較高，這是由于鈦礦較高成本的開采及更復雜的處理過程所造成的。因此鈦工業(yè)面臨的首要挑戰(zhàn)是如何通過降低鈦的提取及制造成本從而降低鈦零部件的價格。但是這些并沒有阻礙鈦制零件在汽車行業(yè)中的應用（鈦制標準零部件見表1）。，特別是以汽車性能為首要考慮因素的賽車業(yè)（見圖2）。表1.鈦制標準零部件年份部件材料制造商車型1992連桿Ti-3Al-2V本田謳歌NSX1994連桿Ti-6Al-4V法拉利All 12-cyl1996輪圈螺絲Ti-6Al-4V保時捷車輪1998剎車片導銷Ti grade 2奔馳S-型1998制動密封墊圈 Ti

4、grade 1s大眾所有車型1998換檔旋鈕Ti grade 1本田S2000跑車1999連桿Ti-6Al-4V保時捷GT31999閥門Ti-6Al-4V豐田Altezza 6缸1999增壓器Ti-6Al-4V奔馳柴油卡車2000懸架彈簧TIMETAL LCB大眾Lupo FSI2000輪圈螺絲Ti-6Al-4V寶馬MTechn.option2000閥彈簧座-鈦合金三菱全 1.8升4缸2000增壓輪-TiAl三菱Lancer2001排氣系統(tǒng)Ti grade 2通用Corvette Z062001輪圈螺絲Ti-6Al-4V大眾Sport package 2002閥門Ti-6Al-4V尼桑Infi

5、niti Q452003懸架彈簧TIMETAL LCB法拉利360 Stradale 圖2.奧迪R8賽車材料分布比例鈦在汽車上的應用鈦合金是一種新型結構及功能材料，具有優(yōu)異的綜合性能，主要優(yōu)點是密度小、比強度高。鈦的密度為4.51 克/厘米3，介于鋁（2.7 克/ 厘米3）和鐵(7.6克/ 厘米3) 之間。鈦合金的比強度高于鋁合金和鋼，韌性也與鋼鐵相當。鈦及鈦合金抗蝕性能好，優(yōu)于不銹鋼。特別是在海洋大氣環(huán)境中, 能抵抗氯離子的侵蝕；微氧化氣氛下，耐蝕性好。鈦合金的工作溫度較寬，低溫鈦合金在253還能保持良好的塑性，而耐熱鈦合金的工作溫度可達550左右，其耐熱性明顯高于鋁合金和鎂合金。同時，鈦合

6、金還具有良好的加工性、焊接性能。車輪螺栓輪圈螺絲車架螺栓連桿螺栓鈦在汽車上的用途主要分兩大類，第一類是用來減少內(nèi)燃機往復運動件的質量（對于往復運動的內(nèi)燃機零件來講，即使減少幾克質量都是重要的）；第二類是用來減少汽車總質量。根據(jù)設計和材料特性，新一代汽車上鈦主要分布在發(fā)動機元件和底盤部件上。在發(fā)動機系統(tǒng)，鈦可制作閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件；在底盤部件主要為彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。(見圖3)懸架彈簧剎車線密封圈排氣系統(tǒng)連桿 活塞活塞銷 閥門閥門彈簧 氣門彈簧座渦輪增壓輪圖3.鈦合金在汽車上的潛在應用連桿Ti-MMC 15%TiC減輕重量44%彈簧座圈Ti-MMC 15%TiC減輕重量

7、50%氣門閥桿Ti-MMC 12%TiC曲軸Ti-MMC15%TiC減輕重量44%活塞銷Ti-MMC 15%TiC減輕重量30%空心閥減輕重量55%凸輪軸Ti-MMC 15%TiC減輕重量40%變速箱部件Ti-MMC 10%TiC減輕50%重量圖4.鈦合金在汽車發(fā)動機上的應用輪轂Ti-MMC 5%TiC減輕44%重量傳動軸Ti-MMC 12%TiC減輕40%重量制動活塞鉗Ti-MMC 10%TiC圖5.鈦合金在汽車傳統(tǒng)部件上的應用鈦在汽車上的具體應用一、 發(fā)動機動力傳動裝置的核心是內(nèi)燃發(fā)動機。內(nèi)燃機往復運動式零件和轉動式零件的質量嚴重地影響燃油是否節(jié)約。（見圖5）圖6. 汽車內(nèi)燃機往復運動式零

8、件和轉動式零件發(fā)動機的連桿對材料的強度、疲勞性能、剛度( 特別是大頭端) 及耐磨性能都有嚴格的要求, 而鈦的強度和疲勞性能更適合制造這些零件。鈦連桿質量的減輕, 結合以質輕的活塞和活塞銷, 使噪聲、震顫、車身跳動明顯減輕, 改善了發(fā)動機的工作性能。同時, 這些零件如果用鈦制造,還可以提高發(fā)動機的工作溫度?；钊N要求材料具有一定的強度、耐磨性能、高剛度和耐高溫, 目前最佳選擇是密度低、高溫強度高、生產(chǎn)成本相對不高的金屬間化合物-TiAl。對更高速度的發(fā)動機而言, 其氣門傳動機構也以使用抗蠕度、抗氧化的鈦材為宜。尤其是使用-鋁化鈦作氣門彈簧, 除減輕質量, 還可將發(fā)動機速度提高10%。圖7. 上世

9、紀90 年代末, 日本豐田汽車公司率先在中型家庭轎車Altezza 上使用了鈦發(fā)動機氣門。用Ti-6Al-4V制造進氣門（左）和用TiB/Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si制造排氣氣門（右）圖8. -TiAl用于高速發(fā)動機，從而減少閥門振動二、 制動系統(tǒng)鈦的低導熱系數(shù)和較差耐磨性阻礙了鈦在汽車剎車盤上的使用；但是由于鈦優(yōu)良的耐腐蝕性能使其在制動管路連接法蘭密封圈及剎車導向銷上有所應用，鈦的低導熱系數(shù)可以用來保護剎車液。三、 車體框架部分為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設計、制造上，尤其是材料方面考慮。鈦不僅具備高的比強度、同時具備良好的韌性，使之更堅固，是制做車體框架的良好材料。在日

10、本，汽車制造商們采用純鈦焊接管制作框架，這類框架給駕車者足夠的安全感。四、 排氣系統(tǒng)主要由排氣管和排氣消音器形成的排氣系統(tǒng)也是適于使用鈦的領域。鈦在汽車排氣系統(tǒng)的用量較大，用鈦及合金制作的排氣系統(tǒng)不僅可以大大延長使用壽命，提高可靠性，外形美觀，同時還可提高燃料效率，減重效果明顯；與鋼制排氣系統(tǒng)相比，鈦制排氣系統(tǒng)可以減重約40。鈦消音器只有5-6 千克，比不銹鋼消音器輕很多。日本本田等四家公司采用了鈦制消音器用于大型汽車和個別中型汽車上。使用的鈦材主要為工業(yè)純鈦。圖9.在Golf. 系列汽車里，鈦制排氣系統(tǒng)可以減重7-9 千克(相較于鋼減輕50%)五、 鈦彈簧鈦及鈦合金彈性模量低，s/E 比值大

11、，適合制作彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比，在相同彈性功能的前提下，鈦彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，便于車體設計，其重量減輕60%70%。鈦合金優(yōu)異的疲勞性能和耐蝕性可大大提高鈦彈簧的使用壽命。LCB625g非涂層鋼鐵1045g圖10. VW Lupo FSI 尾軸彈簧六、 螺栓和緊固件用鈦制螺栓和緊固件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制螺栓和緊固件，可有效減輕重量。這種類型的鈦零件可以用相對較低的成本粉末冶金技術來生產(chǎn)。 圖11. 采用粉末冶金技術生產(chǎn)的Ti-6Al-4V汽車緊固件降低鈦合金成本的途徑降低鈦材料的價格必須從開發(fā)低成本的新合金系和改進生產(chǎn)工藝兩方面入手：一、 降低原材料成本鈦金屬熔點高，化學性質十分活

12、潑，與O，H，N和C 等元素有極強的化學親和力,致使純鈦提取困難。工業(yè)上普遍使用Kroll 鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦。Kroll 鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦工藝復雜、能耗高、周期長，并且不能連續(xù)生產(chǎn)，同時，需用大量的金屬鎂作還原劑，生產(chǎn)成本較高。目前，由英國劍橋大學開發(fā)的熔融CaCl2 中直接電化學還原TiO2 的工藝有所突破，該方法生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn)周期短，且生產(chǎn)成本下降40%。鈦合金大多以高價的V 作為合金元素來提高強度，而這些合金化元素又多以Al-X 作為中間合金添加。以廉價的Fe、Cr 等合金元素取代V元素，是降低鈦合金成本的一種有效方法。例如：美國鈦工業(yè)公司（Timet）開發(fā)的Ti-1.5Al-6.

13、8Mo-4.5Fe和Ti-6Al-1.Fe-0.1Si。隨著鈦冶煉技術的進步，將鈦在生產(chǎn)、加工過程中所產(chǎn)生的邊角余料、廢屑等殘料經(jīng)系列處理后作為爐料添加，實現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn)，是降低原材料成本的有效方法。二、 降低加工成本鑄造是經(jīng)典的凈（近）成型工藝。生產(chǎn)的零部件無需機加工或機加工很少，從而節(jié)約了大量金屬。鑄造常常能生產(chǎn)出形狀復雜的零件，而這些零件采用其它傳統(tǒng)工藝方法制造時工藝復雜，生產(chǎn)成本較高，特別是對材料價格相對較高的鈦金屬。目前，在航空工業(yè)大量應用了鈦鑄件。在汽車制造業(yè)，用鑄造法生產(chǎn)的部件有閥門、渦輪增壓器等。粉末冶金作為一種現(xiàn)代冶金和材料加工的先進技術方法，在鈦工業(yè)領域發(fā)揮了重要的作用。采用鈦

14、粉末冶金近成型技術，可直接制取成品或接近成品尺寸的零部件，降低了原材料消耗，縮短了加工周期，成本比常規(guī)工藝節(jié)省2050。目前鈦粉沫冶金的研究正處于飛速發(fā)展階段，主要包括幾個方面，一是高質量低成本鈦粉末制備技術及其產(chǎn)業(yè)化；二是鈦粉末冶金的制備技術，同時在汽車工業(yè)推廣應用。激光成型技術( 集成了激光技術、CAD CAM技術和材料技術的最新成果) 根據(jù)計算機模型，可直接用合金粉末一次成型形狀復雜的最終零件，制造出的鈦零件性能介于鑄造和鍛造之間。金屬粉末注射成型技術(MIM) 是發(fā)展較快的一種近（凈）成型粉末冶金技術，可制造高質量、高精度的復雜零件，被認為是目前最有優(yōu)勢的成型技術之一。鈦涂層技術，也是一種能降低成本的新型工藝。例如：表面鈦涂層汽車剎車片；新型-TiAl氣門。展望隨著科學技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構成發(fā)生了較大的變化。低密度材料替代高密度材料